何为GPU？

GPU是英文Graphics Processing Unit（图形处理器）的缩写，是一种专门设计用于高速处理图像、视频和其他图形数据的处理器。GPU最初是为了帮助计算机快速处理复杂的3D图形而设计的，但现在已广泛应用于许多其他领域，如机器学习、科学计算和图形处理等。

相比于CPU（中央处理器），GPU拥有更多的核心和更高的并行性能，使其能够更快地处理大规模的数据集。GPU还拥有更多的内存和更快的内存带宽，这对于一些需要大量内存和带宽的任务来说非常重要。在没有GPU的时候，人们想将计算机中的数据显示在屏幕上，是使用CPU来进行相关运算的。我们要做的事情简单概括一下，就是通过对数据进行相应的计算，把数据转换成一个又一个图片上的像素，然后将这张图片显示在屏幕上。整个流程中的计算并不复杂，但是数量大，且计算流程重复，如果全盘交给CPU的话会给其造成很大的性能负担。于是乎GPU诞生了：

下面我们来看看GPU与CPU的区别：

可以看到，GPU采用了数量众多的计算单元和超长的流水线，但只有非常简单的控制逻辑并省去了Cache。而CPU不仅被Cache占据了大量空间，而且还有有复杂的控制逻辑和诸多优化电路，相比之下计算能力只是CPU很小的一部分。CPU需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，同时又要逻辑判断又会引入大量的分支跳转和中断的处理。这些都使得CPU的内部结构异常复杂。而GPU面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境。

由于GPU是针对图像处理而设计的，所以要想搞清楚GPU的架构，得先了解一下渲染管线（用于绘制3D场景的核心部分）的流程，下图是DirectX 11中渲染管线的流程：

输入装配阶段（Input Assembler Stage）：这个阶段将从内存中读取的数据（比如模型的顶点数据）转换为能够被GPU处理的数据格式，以供下一步操作使用。

顶点着色器阶段（Vertex Shader Stage）：在这个阶段，每个顶点都会被输入到顶点着色器中。在这个阶段，可以对每个顶点进行各种形式的变换（比如缩放、旋转、平移等），并计算出该顶点的最终屏幕位置。

外壳着色器阶段（Hull Shader Stage）：外壳着色器阶段的主要作用是控制曲面细节和形状，使得渲染出来的曲面更加真实。在这个阶段，可以编程控制曲面的数量和细节程度，以及控制每个曲面的形状。

曲面细分评估阶段（Tessellator Stage）：这个阶段用于将输入的曲面或几何体进行细分，并将其转换为一系列小的三角形（或其他形状），以便进行光栅化和渲染。在该阶段中，驱动程序会根据细分曲面的类型和属性（如细分级别、曲面类型、细分模式等）进行计算，并生成所需的细分数据，如三角形顶点坐标、法线向量、纹理坐标等。

Domain Shader Stage（域着色器阶段）：该阶段主要用于处理曲面细分后的顶点数据，生成新的顶点数据，并对其进行变换、变形和其他操作。在该阶段中，可以使用自定义着色器代码来操作细分后的曲面顶点数据。这个着色器可以用来实现各种复杂的几何变换和效果，例如曲面弯曲、物体变形、纹理映射等。

Geometry Shader Stage（几何着色器阶段）：该阶段的主要作用是将顶点数据转换成几何图元数据（例如线段、三角形、点等），并且可以根据需要生成新的几何图元。几何着色器阶段在许多应用中都有用，例如粒子系统、几何图元生成、地形细节和特效渲染。但是需要注意的是，由于几何着色器阶段的计算量较大，可能会成为性能瓶颈。

Stream Output Stage（流输出阶段）：该阶段在几何着色器之后，将几何图形数据捕获并存储到缓冲区中。

Rasterizer Stage（光栅化阶段）：在这个阶段中，图形被转换成由像素（也称为片段）组成的栅格图像，以便后续的颜色插值和光栅化操作。具体而言，该阶段的主要任务是根据输入的几何形状和视角信息，将几何图形划分成像素，并计算出每个像素的位置、颜色、深度等信息，然后输出一张2D的栅格图像，可进一步用于纹理贴图、深度测试、遮挡剔除等操作。

Pixel Shader Stage（像素着色器阶段）：在该阶段，每个像素都会被传递到着色器中，然后通过编写的着色器代码进行处理。着色器代码通常使用输入变量（如顶点属性、纹理坐标、光照等）来计算输出颜色。在计算完每个像素的输出颜色后，将该颜色传递到下一个阶段（输出合成阶段）。像素着色器可以实现各种各样的效果，例如纹理映射、光照、阴影等等。通过编写适当的着色器代码，可以使像素看起来更真实、更具有光泽感、更有深度感，从而提高图形渲染的质量。

Output Merger Stage（输出合并阶段）：该阶段主要是将顶点和像素着色器的输出结果合并，并输出最终的像素颜色。